JP6504993B2 - 曲面状サンドイッチ構造体の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、繊維強化プラスチック材料を表皮材とする曲面状サンドイッチ構造体の製造方法に関するものである。

近年、軽量で、高強度かつ高剛性である特性を活かし、幅広い分野で繊維強化プラスチック材料（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、以下ＦＲＰと称す）が適用されている。中でも、ＦＲＰを表皮材とし、この表皮材で軽量なコア材を挟んで一体化したサンドイッチ構造体は、ＦＲＰを効率的に使用しながら剛性を高める手法として広く知られている。

このようなサンドイッチ構造体の用途としては、例えば、衛星用筐体構造、アンテナ用リフレクタ、レドームに例示されるように、特に、軽量性かつ高剛性が求められる宇宙・通信用途で使用されてきた。その一方で、近年では、航空機、自動車を中心とする移動体の構造にもこのようなサンドイッチ構造体が使用されつつある。また、上記以外にも、鉄道の車両やエレベーター等の移動体の構造にも、適用され得る。

また、素材及び成形方法について、宇宙・通信用途では、ハニカム材をコア材とするＦＲＰサンドイッチ構造を、オートクレーブと呼ばれる圧力釜で成形（オートクレーブ成形法）していた。しかし、オートクレーブ成形法では、材料コスト及び成形コストが高いという問題があり、ＦＲＰサンドイッチ構造体の用途拡大とともに材料コスト及び成形コストの低減が求められている。

そこで、オートクレーブ成形法に替わるＦＲＰの低コスト成形方法として、真空含浸成形法が提案されている。この真空含浸成形法とは、大気圧を利用して、繊維を織物状にした繊維クロスに液状の樹脂を含浸させる成形方法である。

具体的な手順としては、先ず、成形型上に繊維クロスを積層し、その上に離型性を有するピールプライと樹脂を面内方向に拡散するためのフローメディアとを、ピールプライ、フローメディアの順に積層する。

次に、繊維クロス、ピールプライ、及びフローメディアが積層された成形型の周囲に、気密を保持するシーラントを配置し、注入口及び吸引口を設置して全体をバギングフィルムで覆って密閉する。次に、吸引口を真空ポンプに接続してバギングフィルム内部を真空吸引した後、注入口を樹脂槽へ接続して大気圧により樹脂を含浸させ、樹脂を硬化させて表皮材の成形体を得る。

真空含浸成形法は、オートクレーブなどの大がかりな設備や強固な成形型を必要としないため、低コストで成形可能な方法である。また、材料については、ハニカム材に替わるコア材として、低コストで軽量な樹脂製の発砲材を使用することができる。これにより、ＦＲＰサンドイッチ構造の低コストでの成形が可能となる。

ここで、宇宙・通信用途では、衛星用筐体構造の中心となるセントラルシリンダ、パラボラ形状のアンテナリフレクタ、レドームに代表されるように、いずれも曲面状の部材が必要となる。これらの部材は、筐体構造に取り付けられた機器間の位置精度や電波の指向精度等の要求仕様値を満足するためには、外的な荷重及び温度差に耐える形状安定性及び寸法精度が必要となる。移動体に適用する場合においても、部材の寸法精度が移動体の空力特性や外的な荷重に耐える強度に影響するため、寸法精度の要求値を満たす必要がある。

平面形状の場合、成形型の平面度を向上させることで、成形体の平面度も比較的容易に向上させることができると考えられる。しかし、曲面状の場合、樹脂の硬化収縮により形状が３次元的に変化し、所望の寸法精度が得られないという課題があった。

そこで、発泡材をコア材としてＦＲＰサンドイッチ構造を成形する場合、所望の曲面形状に予め加工した発泡コア材を成形型として使用し、表皮材を、成形と同時にコア材と接着させて一体化するという方法がある（例えば、特許文献１参照）。この方法であれば、表皮材とコア材が一体化することで剛性が増し、表皮材中の樹脂の硬化収縮による変形を抑制することで、所望の寸法精度の曲面状サンドイッチ構造を得ることができる。

特許文献１に開示された曲面サンドイッチ構造の製造方法では、ポリエーテルイミド製樹脂発泡体を機械加工により曲面状に加工し、片方の面にプリプレグを積層して、成形及び接着を行っている。その後、他方の面をコア材が一定の厚みになるように加工し、プリプレグを積層して、成形及び接着を行っている。

この方法によれば、所望の形状に加工したポリエーテルイミド製樹脂発泡体を成形型とし、この成形型の上にプリプレグを積層して、成形及び接着を行うことにより、所望の寸法精度の曲面状サンドイッチ構造体を得ることができる。

特開２００２−２９２７７２号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に開示されている曲面状サンドイッチ構造の製造方法において、プリプレグは、オートクレーブで加熱及び加圧して成形する必要がある。また、プリプレグは、常温で所望の寸法精度に加工してもプリプレグの成形温度及び成形圧により、サンドイッチ構造は変形してしまう。この結果、成形後に所望の寸法が得られないという問題があった。

また、サンドイッチ構造をアンテナリフレクタなどの鏡面精度が要求される部材に使用する場合、発泡材を成形型として成形すると、発泡材表面には凹凸があるため、その凹凸が浮き出て所望の鏡面精度が得られないという問題もあった。

特許文献１には、予め表皮材を成形してから接着する手法についても開示されている。しかし、予め所望の寸法精度に成形した表皮材を常温硬化型の接着剤で接着すれば、熱変形は生じないが、予め表皮材を単体で成形しておく必要がある。表皮材単体では、厚みが薄いため、剛性が小さく、成形温度と常温との温度差や樹脂の硬化収縮により変形してしまう。このため、表皮材単体で所望の寸法精度に成形することは、非常に困難である。

ここで、成形コスト低減のため、真空含浸成形法を適用した場合について考える。真空含浸成形法であれば、常温硬化型の樹脂を使用して成形することで、オートクレーブ成形法に伴う温度差による熱変形を防止することができる。

しかしながら、発泡材を成形型として使用する場合、発泡材の表面凹凸により鏡面精度が得られないという問題は解決されていない。特に、真空含浸成形法は、繊維クロス上にピールプライ及びフローメディアを積層するため、オートクレーブ成形法にも増して発泡材の鏡面精度を出すことは困難である。

また、常温硬化型の樹脂でも硬化収縮による変形は生じるため、表皮材単体で寸法精度を満足することも困難である。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、オートクレーブ成形法を用いずに、所望の鏡面精度を得られるとともに、成形コストを低減することができる曲面状サンドイッチ構造体の製造方法を提供するものである。

この発明による曲面状サンドイッチ構造体の製造方法は、所望の鏡面精度を有する凸型曲面部と、凸型曲面部を鉛直上方に向けたとき、凸型曲面部の外周部から下方に伸びる側面部とを有する凸型成形型を用いて、繊維強化プラスチックの表皮材により発泡コア材の周囲を覆うことで一体化して成形される、曲面状サンドイッチ構造体の製造方法であって、凸型成形型の上に第１繊維クロスを積層する際に、第１繊維クロスの端部を側面部に固定することで、凸型曲面部に第１繊維クロスを展張させながら密着させる前工程の後、樹脂を第１繊維クロス内に含浸させて硬化させることで、凸型曲面部上に成形された第１曲面表皮部と、側面部に成形された第１リブ部とを有する第１の表皮材を成形する第１表皮材成形工程、凸型曲面部上で成形された第１曲面表皮部の上面形状に沿う曲面状で、外周部が上記第１リブ部まで達している形状として予め加工された発泡コア材を、第１曲面表皮部上に接着させるコア材接着工程、発泡コア材における第１曲面表皮部と接触している面を除く面に相当する上面部及び外周部を覆うように第２繊維クロスを積層する際に、第２繊維クロスの端部を第１リブ部に固定することで、発泡コア材の上面部及び外周部に第２繊維クロスを展張させながら密着させた後、樹脂を第２繊維クロス内に含浸させて硬化させることで、発泡コア材の上面部上に成形された第２曲面表皮部と、発泡コア材の外周部から第１リブ部上にわたって成形された第２リブ部とを有する第２の表皮材を成形する第２表皮材成形工程、及び凸型成形型の側面部において第１リブ部と第２リブ部とが積層して形成された部分であり、かつ、第１曲面表皮部の鉛直下方に突出した部分を、第１曲面表皮部における凸型曲面部と接する曲面に沿って除去する突出部除去工程を備える。

この発明によれば、所望の鏡面精度を有する凸型曲面部を備えた凸型成形型に第１繊維クロスを密着させた状態で、樹脂を含浸させて硬化させることで、所望の鏡面精度を有する第１の表皮材を成形する。また、第１の表皮材の曲面に沿うような加工が予め施された発泡コア材を第１の表皮材上に接着した後、発泡コア材の上面部及び外周部と、第１の表皮材の外周部とを覆うように第２繊維クロスを密着させた状態で、樹脂を含浸させて硬化させることで、第２の表皮材を成形し、曲面状サンドイッチ構造体が完成する。このようにして、第１の表皮材、発泡コア材、第２の表皮材を、所望の鏡面精度を有する凸型成形型上に順次積層していくことで、オートクレーブ成形法を用いずに、所望の鏡面精度を得られるとともに、成形コストを低減することができる曲面状サンドイッチ構造体の製造方法を提供することができる。

曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体を示す斜視図である。 図１の曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体を示す断面図である。 曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体の成形に用いる凸型成形型を示す斜視図である。 第１繊維クロスを凸型成形型上に積層した状態を示す断面図である。 第１繊維クロスを凸型成形型上に積層した状態を示す斜視図である。 第１繊維クロスを凸型成形型上に密着させている状態を示す斜視図である。 ピールプライ及びフローメディアを第１繊維クロス上に積層した状態を示す断面図である。 第１のＦＲＰ表皮材を成形する第１成形装置を示す断面図である。 第１成形装置に真空加圧状態で液状樹脂を注入している状態を示す断面図である。 液状樹脂硬化後に副資材を全て取り外した第１のＦＲＰ表皮材を示す断面図である。 第１曲面表皮部の表面に接着用樹脂を塗布した状態を示す断面図である。 凹面側に接着用樹脂を塗布した発泡コア材を第１曲面表皮部の上に設置した状態を示す断面図である。 凸型成形型の側面部にシーラントを敷設して吸引口を設置し、発泡コア材の上にバギングフィルムを重ねて外縁部をシーラントで密封した状態を示す断面図である。 接着用樹脂が硬化した後、副資材を全て取り外した状態を示す断面図である。 発泡コア材を覆うように第２繊維クロスを積層した状態を示す断面図である。 発泡コア材の外周部がリブ部まで達していないとき、発泡コア材の外周部と第１曲面表皮部２ａの成す凹角部に対して、第２繊維クロスが突っ張ってしまった状態を示す断面の凹角部拡大図である。 ピールプライ及びフローメディアを第２繊維クロス上に積層した状態を示す断面図である。 第２のＦＲＰ表皮材を成形する第２成形装置を示す断面図である。 第２成形装置に真空加圧状態で注入用樹脂を注入している状態を示す断面図である。 注入用樹脂が硬化した後、副資材を全て取り外し、成形体を凸型成形型から脱型した状態を示す断面図である。 バリを除去した曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体を示す断面図である。 本発明の実施の形態２で用いる凸型成形型の対称面での断面図である。 図２２の凸型成形型を用いて成型した曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体を示す斜視図である。 図２３の凸型曲面部を得る回転放物面を示す図である。 本発明の実施の形態３で用いる凸型成形型の軸方向に垂直な面での断面図である。 図２５の凸型成形型を用いて成型した曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体を示す斜視図である。

以下、本発明による曲面状サンドイッチ構造体の製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態では、表皮材にＦＲＰを用いることから、曲面状サンドイッチ構造体を曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体として説明する。

実施の形態１．
本実施の形態１における曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体について、図１および図２を用いて説明する。図１は、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体を示す斜視図である。また、図２は、図１の曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１は、互いに対向する面が所望の間隔を置いて配置されており、一方の面が凹面、他方の面が凸面になっている。従って、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１は、所望の厚み分布を有する曲面形状を成している。曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１の厚みは、一定でなくとも良く、端部の厚みが０、すなわち外周部が面状でなく線状でも良い。

また、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１は、ＦＲＰを表皮材とするサンドイッチ構造である。即ち、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１は、凹面を形成する第１のＦＲＰ表皮材（第１表皮材）２と、凸面を形成する第２のＦＲＰ表皮材（第２表皮材）３と、第１のＦＲＰ表皮材２及び第２のＦＲＰ表皮材３に挟まれた発泡コア材４と、で構成されている。第１のＦＲＰ表皮材２、第２のＦＲＰ表皮材３、及び発泡コア材４は、接着剤により一体化されている。発泡コア材４は、所望の厚み分布を有する曲面形状になっている。発泡コア材４の厚みは、一定でなくとも良く、端部の厚みが０、すなわち外周部が面状でなく線状でも良い。

第１のＦＲＰ表皮材２は、発泡コア材４の凹面側に接着されている。また、第１のＦＲＰ表皮材２の表面、即ち発泡コア材４と接着されていない面は、所望の鏡面精度を満たす曲面になっている。

第２のＦＲＰ表皮材３は、発泡コア材４の凸面側と、発泡コア材４の側面とを覆うように接着されている。従って、発泡コア材４は、第１のＦＲＰ表皮材２及び第２のＦＲＰ表皮材３に覆われており、外部への露出はない。

また、第２のＦＲＰ表皮材３は、発泡コア材４の凸面側と、発泡コア材４の側面とも接着されている。従って、発泡コア材４は、第１のＦＲＰ表皮材２と第２のＦＲＰ表皮材３とに囲まれている空間を埋めている。

次に、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１の成形工程について説明する。曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１の成形には、図３に示す凸型成形型５を用いる。図３は、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１の成形に用いる凸型成形型５を示す斜視図である。

図３に示すように、凸型成形型５は、所望の鏡面精度を有する凸型曲面部５ａと、凸型曲面部５ａを鉛直上方に向けたとき凸型曲面部５ａの外周部から下方に伸びる側面部５ｂと、を有している。この例では、凸型成形型５は、一端面が凸型曲面部５ａである円柱形状になっている。ここで、側面部５ｂは、円柱形状の上端部のみを指す。

凸型曲面部５ａの形状は、凸型で凹んだ箇所のない曲面であればよく、球面、放物線の対称軸を回転軸として回転させた回転放物面、平面に描かれた曲線を平面に垂直な方向に平行移動させた柱面（ただし、曲線は全体に渡り凸形状であること）、またはこれらの面を連続的に結合させた曲面形状が好適である。本実施の形態１では、凸型曲面部５ａの形状が、球面である例について説明する。以下、凸型成形型５の軸線方向について凸型曲面部５ａ側を上方として説明する。

まず始めに、第１のＦＲＰ表皮材２の成形工程について、図４〜図１０を用いて説明する。図４は、第１繊維クロスを凸型成形型５上に積層した状態を示す断面図である。また、図５は、第１繊維クロスを凸型成形型５上に密着させている状態を示す斜視図である。また、図６は、第１繊維クロスを凸型成形型５上に積層した状態を示す斜視図である。

また、図７は、ピールプライ及びフローメディアを第１繊維クロス上に積層した状態を示す断面図である。また、図８は、第１のＦＲＰ表皮材２を成形する第１成形装置を示す断面図である。また、図９は、第１成形装置に真空加圧状態で液状樹脂を注入している状態を示す断面図である。さらに、図１０は、液状樹脂硬化後に副資材を全て取り外した第１のＦＲＰ表皮材２を示す断面図である。

＜第１表皮材成形工程＞
図４に示すように、先ず、凸型成形型５の凸型曲面部５ａ全体及び凸型成形型５の側面部５ｂに離型処理を施した後、少なくとも１層の第１繊維クロス６ａを積層する。本実施の形態１では、２層の第１繊維クロス６ａを積層した例を示している。

第１繊維クロス６ａは、繊維を束ねた繊維束を２次元面内、即ち平面に織った織物であれば良く、織組織によって限定されない。また、第１繊維クロス６ａの素材は、繊維状の素材であれば良く、材質によって限定されない。

第１繊維クロス６ａは、平面に織られているので、第１繊維クロス６ａを凸型成形型５上に積層するとき、凸型成形型５上に載せただけでは第１繊維クロス６ａの一部があまり、皺になってしまう。第１繊維クロス６ａが皺になったまま、第１のＦＲＰ表皮材２を成形すると、皺の部分で繊維が屈曲し、所望の機械特性、この例では、鏡面精度が得られない恐れがある。従って、第１繊維クロス６ａを凸型成形型５に密着させる必要がある。

そこで、本実施の形態１では、第１繊維クロス６ａを凸型成形型５に密着させるために、基準となる第１繊維クロス６ａの繊維束を凸型成形型５に固定し、これを基準に第１繊維クロス６ａの余った部分を外側へ広げて伸ばしながら凸型成形型５に密着するように第１繊維クロス６ａを変形させる。第１繊維クロス６ａを凸型成形型５に密着させる方法の具体的な例を、図５を用いて説明する。

図５では、直交する２軸方向に織られた第１繊維クロス６ａを積層した場合を例示している。第１繊維クロス６ａを凸型成形型５に密着させるために、先ず、凸型曲面部５ａ上に原点を設定する。原点は、凸型成形型５の軸線方向について、側面部５ｂの上端部、即ち、凸型曲面部５ａの外周部から最も離れた凸型曲面部５ａの点を設定する。本実施の形態１では、凸型曲面部５ａの形状が球面であるため、凸型曲面部５ａの中心、即ち、凸型成形型５の軸線と凸型曲面部５ａとが交わる点を原点とする。

次に、図５の矢印Ａに示すように、原点を通り、凸型成形型５の径方向に沿った基準の２軸を設定する。図５では、基準の２軸は、原点を通り、直交している。本実施の形態１では、凸型曲面部５ａの形状が球面であるため、基準の２軸は、原点を通り、かつ凸型成形型５の径方向に沿う軸であれば、所望の位置でよい。

次に、図５の太線Ｂに示すように、基準の２軸に沿うように、基準となる２本の繊維束を凸型成形型５の側面部５ｂに仮止めする。基準の繊維束を側面部５ｂに固定した後、図５の矢印Ｃに示すように、凸型成形型５の径方向について、基準の繊維束間の第１繊維クロス６ａを、基準の２軸の中間方向、即ち、４５°方向へ広げて伸ばしながら、凸型成形型５に密着させる。

最後に、凸型成形型５に密着させた状態で、図５の点線で示されている、凸型曲面部５ａの外周部からはみ出した余分な第１繊維クロス６ａを切り落とし、残った第１繊維クロス６ａを凸型成形型５の側面部５ｂに仮止めする。すなわち、第１繊維クロス６ａは、鉛直方向の高さが一定となるように加工された上で、凸型成形型５の側面部５ｂに仮止めされることとなる。以上の手順を必要な層数だけ繰り返して、図６にしめすように、第１繊維クロス６ａを凸型成形型５上に積層する。

次に、図７に示すように、ピールプライ７及びフローメディア８を、第１繊維クロス６ａ上にピールプライ７、フローメディア８の順に積層する。ピールプライ７は、樹脂硬化後にフローメディア８を第１のＦＲＰ表皮材２から引きはがすための副資材であり、樹脂は通過させるが、離型性を有する。ピールプライ７は、凸型成形型５に積層された第１繊維クロス６ａ全体を覆うように積層する。

フローメディア８は、樹脂を凸型曲面部５ａ内方向に拡散し、第１繊維クロス６ａへの樹脂含浸を補助するための副資材である。フローメディア８は、凸型成形型５の軸線を中心とした中央部をくり抜いて積層する。これは、後述する吸引口１２を中央部に設けたとき、樹脂がフローメディア８から第１繊維クロス６ａへ含浸せずに、直接、吸引口１２へ吸引されてしまうことを防止するためである。

また、フローメディア８は、第１繊維クロス６ａ及びピールプライ７を覆うように積層される。また、側面部５ｂに積層されるフローメディア８の下端部は、凸型成形型５の軸線方向について第１繊維クロス６ａの下端部とほぼ同じ位置で、かつピールプライ７の下端部よりも上方に位置している。即ち、フローメディア８は、第１繊維クロス６ａの全体を覆っているが、第１繊維クロス６ａを覆っているピールプライ７の全体は覆っていない。

次に、図８に示すように、凸型成形型５の軸線方向についてピールプライ７の下端部よりも下方に、凸型成形型５の周方向に沿って凸型成形型５にシーラント９ａを一周敷設する。また、シーラント９ａの周方向の少なくとも１箇所以上に、樹脂が上向きに含浸可能になる注入口１０を設置する。

本実施の形態１では、注入口１０を、径方向について互いに対向する２箇所に設置した場合を示している。なお、注入口１０は、１箇所でもよいし、３箇所以上設けられていてもよい。また、注入口１０は、スリットの入ったパイプ状の副資材を、凸型成形型５の側面部５ｂの周方向に沿って設置し、外周部全体から均等に樹脂が含浸するようにしても良い。

次に、第１繊維クロス６ａ、ピールプライ７、及びフローメディア８が積層された部分と、注入口１０が設けられたシーラント９ａが敷設された部分とを覆うように、バギングフィルム１１を重ねる。バギングフィルム１１には、フローメディア８が凸型成形型５の軸線を中心としてくり抜かれた中央部と同位置に、吸引口１２を挿入する切り込みが入れられている。

バギングフィルム１１の切り込みに吸引口１２を挿入した後、吸引口１２とバギングフィルム１１とをシーラント９ｂで密封する。バギングフィルム１１の外縁部も、予め敷設したシーラント９ａで密封し、吸引口１２を真空ポンプに接続することで、第１のＦＲＰ表皮材２を成形する第１成形装置ができる。

第１成形装置が完成した後に、吸引口１２に接続した真空ポンプで内部を減圧した状態で、注入用樹脂（樹脂）１３を注入口１０から注入する。注入用樹脂１３は、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、シアネートエステル樹脂などの熱硬化樹脂で低粘度の材料であれば特に限定されるものではないが、常温で硬化可能なビニルエステル樹脂が好ましい。

注入用樹脂１３を第１繊維クロス６ａ内部に充填した後、注入用樹脂１３の種類に応じて常温下または加熱条件下で、注入用樹脂１３を硬化させる。注入用樹脂１３が完全に硬化した後、シーラント９ａ，９ｂ、吸引口１２、及びバギングフィルム１１などの副資材を取り外し、ピールプライ７及びフローメディア８を引き剥がして、図１０に示すように第１のＦＲＰ表皮材２を得る。従って、第１のＦＲＰ表皮材２は、凸型曲面部５ａ上に成形された第１曲面表皮部２ａと、側面部５ｂに沿って成形された第１リブ部２ｂとで構成されている。

第１のＦＲＰ表皮材２からピールプライ７及びフローメディア８を引き剥がすとき、離型処理を施しているため、第１のＦＲＰ表皮材２が、凸型成形型５から一部または全体が剥がれることとなる。しかし、第１のＦＲＰ表皮材２は、凸型成形型５の側面部５ｂの上部である凸型曲面部５ａの外周部において、リブ部２ｂが成形されている。この結果、温度差や、樹脂の硬化収縮による第１のＦＲＰ表皮材２の変形が抑制される。従って、第１曲面表皮部２ａの成形型側面は、凸型曲面部５ａと同様の所望の寸法精度を満足する曲面に成形することができる。

次に、第１のＦＲＰ表皮材２と発泡コア材４の接着工程について、図１１〜図１４を用いて説明する。図１１は、第１曲面表皮部２ａの表面に接着用樹脂を塗布した状態を示す断面図である。また、図１２は、凹面側に接着用樹脂を塗布した発泡コア材４を第１曲面表皮部２ａの上に設置した状態を示す断面図である。さらに、図１３は、凸型成形型５の側面部５ｂにシーラントを敷設して吸引口１２を設置し、発泡コア材４の上にバギングフィルム１１を重ねて外縁部をシーラントで密封した状態を示す断面図である。また、図１４は、接着用樹脂が硬化した後、副資材を全て取り外した状態を示す断面図である。

先ず、接着工程を実施する前に、発泡コア材４を所望の形状に加工しておく。ここで、所望の形状とは、凸型成形型５の軸線方向について、凸型曲面部５ａから離れた第１曲面表皮部２ａの曲面に沿う凹型曲面４ａを有し、所望の厚み分布を有する曲面形状のことである。発泡コア材４の凹型曲面４ａは、第１曲面表皮部２ａに完全に沿うように加工されていなくてもよく、大気圧を負荷したときに、変形して第１曲面表皮部２ａに密着する程度の誤差は、許容される。

発泡コア材４の外周部は、リブ部２ｂまで達している。これは、後述する第２表皮材成形工程において、発泡コア材４上に第２繊維クロス６ｂを積層する際、発泡コア材４の外周部とリブ部２ｂの間に隙間があると、発泡コア材４の外周部（又は上面部）と第１曲面表皮部２ａの成す凹角部に対して、第２繊維クロス６ｂを密着させることが困難となり、凹角部に対して第２繊維クロス６ｂが突っ張ってしまう恐れがある。

第２繊維クロス６ｂが突っ張ると、凹角部に気泡が浸入して成形不良となる、あるいは樹脂だまりとなって樹脂の硬化収縮により所望の鏡面精度が得られない、等の悪影響が考えられる。発泡コア材４の外周部がリブ部２ｂまで達していれば、凹角部は、ないため、第２繊維クロス６ｂを展張させながら発泡コア材４及び第１のＦＲＰ表皮材２に容易に密着させることができる。

発泡コア材４の加工方法は、特に限定されないが、例えば、加熱、加圧によって発泡コア材４を曲げる熱加工、工作機械により切削する機械加工が考えられる。発泡コア材４の厚みが一定である場合は、平板状の発泡コア材を曲げるだけで加工可能であり、加熱、加圧による熱加工が好適である。本実施の形態１では、発泡コア材４の厚みが一定である例について説明する。

＜コア材接着工程＞
先ず、図１１に示すように、第１曲面表皮部２ａの上面に接着用樹脂１４を塗布する。接着用樹脂１４は、常温で液状の樹脂であれば特に限定されるものではない。ただし、常温で硬化可能なビニルエステル樹脂が好ましく、さらには第１のＦＲＰ表皮材２の成形に使用した注入用樹脂１３と同種の樹脂が好ましい。

次に、発泡コア材４の凹型曲面４ａにも接着用樹脂１４を塗布し、図１２に示すように、接着用樹脂１４を塗布した発泡コア材４の凹型曲面４ａ面が、接着用樹脂１４を塗布した第１曲面表皮部２ａに対向するように、発泡コア材４を第１曲面表皮部２ａ上に設置する。このとき、発泡コア材４を設置しただけでは、発泡コア材４と第１曲面表皮部２ａとの間の接着用樹脂１４内に気泡が混入しているため、発泡コア材４上部から荷重を加えることで、気泡の一部を接着用樹脂１４による接着層の外部に排出する。

なお、本実施の形態１では、接着用樹脂１４を、凹型曲面４ａ及び第１曲面表皮部２ａの両方に塗布しているが、どちらか一方に塗布していてもよい。

次に、図１３に示すように、凸型成形型５の側面部５ｂの周方向に沿ってシーラント９ｃを一周敷設する。このとき、凸型成形型５の軸線方向について、シーラント９ｃは、リブ部２ｂの下端部よりも下方に敷設される。また、シーラント９ｃの周方向のなくとも１箇所以上に、下向きに空気を吸引する吸引口１２を設置する。

本実施の形態１では、吸引口１２を、径方向について互いに対向する２箇所に設置した場合を例示している。なお、吸引口１２は、１箇所でもよいし、３箇所以上設けられていてもよい。

さらに、第１のＦＲＰ表皮材２及び発泡コア材４を含む全体を覆うようにバギングフィルム１１を重ね、バギングフィルム１１の外縁部を予め敷設したシーラント９ｃで密封する。その後、吸引口１２に真空ポンプを接続し、真空ポンプで吸引して内部を減圧する。これにより、発泡コア材４に圧力が加わり、接着用樹脂１４内部の気泡及び余剰樹脂が排出される。

気泡及び余剰樹脂の排出が完了した後、吸引口１２を閉じ、減圧状態を維持しながら接着用樹脂１４を硬化させる。接着用樹脂１４は、樹脂の種類に応じて常温下または加熱条件下で硬化させる。接着用樹脂１４が完全に硬化した後、シーラント９ｃ、吸引口１２、及びバギングフィルム１１などの副資材を取り外す。これにより、図１４に示すような、第１のＦＲＰ表皮材２と発泡コア材４が接着された成形体を得る。

次に、第２のＦＲＰ表皮材３の成形工程について、図１５〜図２０を参照しながら説明する。第２のＦＲＰ表皮材３の成形工程では、第１のＦＲＰ表皮材２及び発泡コア材４が設けられた状態の凸型成形型５が成形型になっている。

図１５は、発泡コア材４を覆うように第２繊維クロスを積層した状態を示す断面図である。図１６は、発泡コア材４の外周部がリブ部２ｂまで達していないとき、発泡コア材４の外周部（又は上面部）と第１曲面表皮部２ａの成す凹角部に対して、第２繊維クロス６ｂが突っ張ってしまった状態を示す断面の凹角部拡大図である。また、図１７は、ピールプライ７及びフローメディア８を第２繊維クロス上に積層した状態を示す断面図である。さらに、図１８は、第２のＦＲＰ表皮材３を成形する第２成形装置を示す断面図である。また、図１９は、第２成形装置に真空加圧状態で注入用樹脂１３を注入している状態を示す断面図である。また、図２０は、注入用樹脂１３が硬化した後、副資材を全て取り外し、成形体を凸型成形型５から脱型した状態を示す断面図である。

＜第２表皮材成形工程＞
先ず、図１５に示すように、凸型成形型５の軸線方向について、発泡コア材４及びリブ部２ｂを覆うように、少なくとも１層の第２繊維クロス６ｂを積層する。第２繊維クロス６ｂは、発泡コア材４の凸型曲面４ｂに沿うように広げて伸ばしながら積層する。ここで、第２繊維クロス６ｂは、第１表皮材成形工程に用いた第１繊維クロス６ａと同じものである。

ここで、発泡コア材４の外周部がリブ部２ｂまで達していないとき、発泡コア材４の外周部とリブ部２ｂの間に隙間があると、発泡コア材４の外周部（又は上面部）と第１曲面表皮部２ａの成す凹角部に対して第２繊維クロス６ｂを密着させることが困難となり、図１６に示すように、凹角部に対する第２繊維クロス６ｂの突っ張り１７が発生する恐れがある。

これに対して、図１５に示すように、発泡コア材４の外周部がリブ部２ｂまで達していれば、凹角部はない。このため、第２繊維クロス６ｂを、展張させながら発泡コア材４及び第１のＦＲＰ表皮材２に容易に密着させることができる。

次に、図１７に示すように、ピールプライ７及びフローメディア８を、第２繊維クロス６ｂ上にピールプライ７、フローメディア８の順に積層する。フローメディア８は、凸型成形型５の軸線を中心とした中央部をくり抜いて積層する。

次に、図１８に示すように、凸型成形型５の側面部５ｂの周方向に沿ってシーラント９ａを一周敷設する。このとき、凸型成形型５の軸線方向について、シーラント９ａは、ピールプライ７の下端部よりも下方に敷設される。また、シーラント９ａの周方向の少なくとも１箇所以上に、樹脂が上向きに含浸可能になる注入口１０を設置する。

その後、第２繊維クロス６ｂ、ピールプライ７、及びフローメディア８が積層された部分と、注入口１０が設けられたシーラント９ａが敷設された部分とを覆うように、バギングフィルム１１を重ねる。バギングフィルム１１には、フローメディア８が凸型成形型５の軸線を中心としてくり抜かれた中央部と同位置に、吸引口１２を挿入する切り込みが入れられている。

バギングフィルム１１の切り込みに吸引口１２を挿入した後、吸引口１２とバギングフィルム１１とをシーラント９ｂで密封する。バギングフィルム１１の外縁部も、予め敷設
したシーラント９ａで密封し、吸引口１２を真空ポンプに接続することで、第２のＦＲＰ表皮材３を成形する第２成形装置ができる。

第２成形装置が完成した後に、図１９に示すように、吸引口１２に接続した真空ポンプで内部を減圧した状態で、注入用樹脂１３を注入口１０から注入する。

注入用樹脂１３を第２繊維クロス６ｂ内部に充填した後、注入用樹脂１３を、注入用樹脂１３の種類に応じて常温下または加熱条件下で硬化させる。注入用樹脂１３が完全に硬化した後、シーラント９ａ，９ｂ、吸引口１２、及びバギングフィルム１１などの副資材を取り外し、ピールプライ７及びフローメディア８を引き剥がして、図２０に示すようにバリ１５が付いた曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１を得る。

ここで、第２のＦＲＰ表皮材３は、凸型曲面４ｂ上に成形された第２曲面表皮部３ａと、発泡コア材４の凸型成形型５の端面であるコア側面４ｃ及び第１リブ部２ｂ上に成形された第２リブ部３ｂとで構成されている。

このとき、凸型成形型５の軸線方向について、第１リブ部２ｂ及び第２リブ部３ｂが一体になった部分は、第１曲面表皮部２ａよりも下方に突出している。以下、この突出した部分を、バリ１５と称す。

最後に、バリ１５の除去工程について、図２１を用いて説明する。図２１は、バリ１５を除去した曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１を示す断面図である。

＜突出部除去工程＞
図２１に示すように、バリ１５は、凸型成形型５の軸線方向について、図２０で示されている第１リブ部２ｂ及び第２リブ部３ｂが接着している部分のうち、第１曲面表皮部２ａの凹面を、所望の鏡面精度を満たす凹面に沿って延長した面よりも下方の部分である。従って、バリ１５は、凸型成形型５の側面部５ｂに沿って成形され、かつ凸型成形型５の軸線方向に沿って伸びて形成されている。

そこで、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１の凹面側である第１曲面表皮部２ａの所望の鏡面精度を満たす凹面に沿ってバリ１５を切り取って除去する。バリ１５は、第１リブ部２ｂと第２リブ部３ｂとが一体化したものであるため、薄肉である。従って、バリ１５は、３次元加工機のような大掛かりな加工機を使用せずとも、簡易な加工方法、例えばグラインダーにより手作業にて除去することができる。

このような実施の形態１における曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体の製造方法では、所望の鏡面精度を有する凸型曲面部と、凸型曲面部の外周部から鉛直下方に伸びる側面部と、を有している凸型成形型を用いている。また、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体の製造方法は、側面部に沿って設けられた第１リブ部を有する第１のＦＲＰ表皮材を形成する第１表皮材成形工程を有している。

このような構成を備えることで、注入した注入樹脂が硬化するとき、第１リブ部が凸型成形型の側面部に引っかかり、注入した注入樹脂が硬化するときに生じる第１のＦＲＰ表皮材の変形を抑制することができる。この結果、第１のＦＲＰ表皮材は、所望の鏡面精度を得ることができる。

また、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体の製造方法では、オートクレーブ成形法を用いていないので、曲面状サンドイッチ構造体の成形コストを低減することができる。

さらに、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体の製造方法では、発泡コア材を覆うように第２のＦＲＰ表皮材を成形する第２表皮材成形工程を有している。これにより、通常、表皮材に挟まれていない発泡コア材の端部に保護板を接着する工程を省略することができる。この結果、曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体の成形時間を短縮することができる。

また、第２表皮材成形工程により、第１リブ部と重なる位置に第２リブ部が成形される。これにより、注入した注入樹脂が硬化するとき、第１リブ部及び第２リブ部が凸型成形型の側面部に引っかかり、注入した注入樹脂が硬化するときに生じる曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体全体の変形を抑制することができる。

さらに、第１リブ部及び第２リブ部により形成されたバリは、薄肉であるため、突出部除去工程により手作業で除去することができる。

また、凸型曲面部に第１繊維クロスを積層する工程において、凸型曲面部上に設定した原点を通る２つの基準軸を設定し、基準軸に沿って第１繊維クロスの繊維束を仮止めした後、基準軸間の第１繊維クロスを広げて引っ張ることで第１繊維クロスを凸型曲面部上に密着させている。このとき、原点は、凸型成形型の軸線方向について、側面部の上端部から最も離れた凸型曲面部の点を設定されている。これにより、第１繊維クロスが凸型曲面部上で皺になることを防止することができる。この結果、皺の発生により機械特性の低下を防止することができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、凸型成形型５の凸型曲面部５ａの形状が、球面である例について説明した。これに対して、本実施の形態２では、凸型曲面部５ａの形状が、回転放物面である例について説明する。

図２２は、本発明の実施の形態２で用いる凸型成形型５の対称面での断面図である。また、図２３は、図２２の凸型成形型５を用いて成型した曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１を示す斜視図である。曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１の製造方法は、凸型曲面部５ａの形状が異なることを除いて、先の実施の形態１の製造方法と同様である。

凸型曲面部５ａの形状になる回転放物面は、下式（１）で表現される曲面である。なお、下式（１）のａは、任意の正数である。

ｚ＝ａ（ｘ２＋ｙ２） （１）

ｚ軸方向から入射した電波及び電磁波は、全て焦点（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，１／（４ａ））を通過することから、回転放物面は、アンテナリフレクタの反射曲面形状として多用される。

図２４は、図２３の凸型曲面部５ａを得る回転放物面を示す図である。図２４に示すように、回転放物面は、ｚ軸に垂直な面で切り取れば、回転軸Ｄを中心とする回転対称な曲面であり、切断面から最も離れた点は、切り取った曲面の中心となる。しかし、それ以外の切断面で切り取ると、切り取った曲面は、回転対称とはならず、切断面から最も離れた点は切り取った曲面の中心からずれる。

図２２及び図２３に示すように、本実施の形態２では、凸型曲面部５ａの形状が、図２３の回転軸Ｄに対して点線Ｅで斜めに切り取られた回転放物面になっている。回転放物面は、回転軸に対して斜めに切り取られた場合であっても、１つの対称面を有する。また、対称面は、切断面から最も離れた点と、楕円を成す凸型曲面の外縁の長軸とを含む。図２２では、切断面から最も離れた点は、点Ｆで示すように、中央部から右側にずれている。

回転軸に対して斜めに切り取られた回転放物面になっている形状の凸型曲面部５ａ上に第１繊維クロス６ａを積層するとき、点Ｆを原点とする。即ち、原点は、凸型成形型５の軸線方向について、側面部５ｂの上端部、即ち、凸型曲面部５ａの外周部から最も離れた凸型曲面部５ａの点を設定している。

また、基準軸は、原点を通り、凸型曲面部５ａの対称面に平行な第１軸と、第１軸に直交する第２軸とを設定する。特に、凸型曲面部５ａが楕円形状を成すとき、基準軸は、長軸方向と短軸方向が好適である。従って、凸型曲面部５ａの形状が、回転放物面であるとき、第１軸は、必ず凸型曲面部５ａの対称面に平行な線になる。

その他の構成及び製造方法は、先の実施の形態１と同様であり、図２３に示すような曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１を得る。

このような実施の形態２おける曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体の製造方法において、凸型曲面部が回転放物面になっている凸型成形型を用いて曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体を成形しても、先の実施の形態１と同様に、所望の鏡面精度を得られるとともに、曲面状サンドイッチ構造体の成形コストを低減することができる。

なお、上記実施の形態１及び上記実施の形態２では、凸型曲面部５ａの形状に、球面及び回転放物面を示しているが、入射した電波及び電磁波が全て焦点を通過することができる形状であればよく、例えば、楕円球面でもよい。

実施の形態３．
先の実施の形態１では、凸型成形型５の凸型曲面部５ａの形状が、球面である例について説明した。これに対して、本実施の形態３では、凸型曲面部５ａの形状が、柱面である例について説明する。

図２５は、本発明の実施の形態３で用いる凸型成形型５の軸方向に垂直な面での断面図である。また、図２６は、図の凸型成形型５を用いて成型した曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１を示す斜視図である。本実施の形態３における曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１の製造方法は、凸型曲面部５ａの形状が異なることを除いて、先の実施の形態１の製造方法と同様である。

凸型曲面部５ａの形状になる柱面は、下式（２）で表現される曲面である。なお、下式（２）のｆ（ｘ）は、任意のｘの範囲で定義されるｘについての任意の関数である。

ｙ＝ｆ（ｘ）（ｚによらず一定） （２）

ｆ（ｘ）は、定義範囲全体に渡って凸形状でなければならず、ｙ軸方向を鉛直上方としたとき、ｆ（ｘ）のｘについての２次導関数は、定義範囲全体に渡って負の値でなければならない。

ｆ（ｘ）の関数形を流線形とすることにより、移動体の空力抵抗を低減することが可能となる。

柱面上におけるｘ軸方向およびｚ軸方向の中点を原点とする。基準軸は、原点を通り、ｚ軸に平行な第１軸と、ｘ軸に平行な第２軸とを設定する。

その他の構成及び製造方法は、先の実施の形態１と同様であり、図２６に示すような曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体１を得る。

このような実施の形態３おける曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体の製造方法において、凸型曲面部が柱面になっている凸型成形型を用いて曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体を成形しても、先の実施の形態１と同様に、所望の形状精度を得られるとともに、曲面状サンドイッチ構造体の成形コストを低減することができる。

１ 曲面状ＦＲＰサンドイッチ構造体（曲面状サンドイッチ構造体）、２ 第１のＦＲＰ表皮材（第１の表皮材）、２ａ 第１曲面表皮部、２ｂ 第１リブ部、３ 第２のＦＲＰ表皮材（第２の表皮材）、３ａ 第２曲面表皮部、３ｂ 第２リブ部、４ 発泡コア材、５ 凸型成形型、５ａ 凸型曲面部、５ｂ 側面部、６ａ 第１繊維クロス、６ｂ 第２繊維クロス、１３ 注入樹脂（樹脂）、１５ バリ、１７ 第２繊維クロス６ｂの突っ張り。

Claims (5)

1. 所望の鏡面精度を有する凸型曲面部と、上記凸型曲面部を鉛直上方に向けたとき、上記凸型曲面部の外周部から下方に伸びる側面部とを有する凸型成形型を用いて、繊維強化プラスチックの表皮材により発泡コア材の周囲を覆うことで一体化して成形される、曲面状サンドイッチ構造体の製造方法であって、
   上記凸型成形型の上に第１繊維クロスを積層する際に、上記第１繊維クロスの端部を上記側面部に固定することで、上記凸型曲面部に上記第１繊維クロスを展張させながら密着させる前工程の後、樹脂を上記第１繊維クロス内に含浸させて硬化させることで、上記凸型曲面部上に成形された第１曲面表皮部と、上記側面部に成形された第１リブ部とを有する第１の表皮材を成形する第１表皮材成形工程、
   上記凸型曲面部上で成形された上記第１曲面表皮部の上面形状に沿う曲面状で、外周部が上記第１リブ部まで達している形状として予め加工された上記発泡コア材を、上記第１曲面表皮部上に接着させるコア材接着工程、
   上記発泡コア材における上記第１曲面表皮部と接触している面を除く面に相当する上面部及び外周部を覆うように第２繊維クロスを積層する際に、上記第２繊維クロスの端部を上記第１リブ部に固定することで、上記発泡コア材の上記上面部及び上記外周部に上記第２繊維クロスを展張させながら密着させた後、樹脂を上記第２繊維クロス内に含浸させて硬化させることで、上記発泡コア材の上記上面部上に成形された第２曲面表皮部と、上記発泡コア材の上記外周部から上記第１リブ部上にわたって成形された第２リブ部とを有する第２の表皮材を成形する第２表皮材成形工程、及び
   上記凸型成形型の上記側面部において上記第１リブ部と上記第２リブ部とが積層して形成された部分であり、かつ、上記第１曲面表皮部の鉛直下方に突出した部分を、上記第１曲面表皮部における上記凸型曲面部と接する曲面に沿って除去する突出部除去工程
   を備える
   曲面状サンドイッチ構造体の製造方法。
2. 上記発泡コア材の外周部は、幅を有する外周面である
   請求項１に記載の曲面状サンドイッチ構造体の製造方法。
3. 上記発泡コア材の厚みは、全面に渡り一定である
   請求項２に記載の曲面状サンドイッチ構造体の製造方法。
4. 上記凸型曲面部が球面である場合、上記第１表皮材成形工程における上記前工程は、
   上記球面の中心を原点として設定し、上記原点を通り、上記球面の径方向に沿って直交する２つの基準軸を設定し、上記２つの基準軸のそれぞれに沿った上記第１繊維クロスの２本の繊維束を、上記側面部に仮止めする工程、
   上記２本の繊維束間の上記第１繊維クロスを、上記２本の繊維束間の中間方向に向かって広げて伸ばすことで、上記第１繊維クロスを上記凸型曲面部に密着させる工程、及び
   上記密着させる工程の後、上記第１リブ部における上記第１繊維クロスの鉛直方向の高さが一定となるように、上記第１繊維クロスの余分な部分を切り落とした後、上記第１繊維クロスを上記側面部に仮止めする工程
   を有する
   請求項１から３のいずれか１項に記載の曲面状サンドイッチ構造体の製造方法。
5. 上記凸型曲面部が回転軸に対して斜めに切り取られた回転放物面である場合、上記第１表皮材成形工程における上記前工程は、
   鉛直上方について、上記外周部から最も離れた上記凸型曲面部の点を原点として設定し、上記原点を通り、上記回転放物面の対称面に平行な第１軸と、上記第１軸に直交する第２軸とを２つの基準軸に設定し、上記２つの基準軸のそれぞれに沿った上記第１繊維クロスの２本の繊維束を、上記凸型曲面部に仮止めする工程、
   上記２本の繊維束間の上記第１繊維クロスを、上記２本の繊維束間の中間方向に向かって広げて伸ばすことで、上記第１繊維クロスを上記凸型曲面部に密着させる工程、及び
   上記密着させる工程の後、上記第１リブ部における上記第１繊維クロスの鉛直方向の高さが一定となるように、上記第１繊維クロスの余分な部分を切り落とした後、上記第１繊維クロスを上記側面部に仮止めする工程
   を有する
   請求項１から３のいずれか１項に記載の曲面状サンドイッチ構造体の製造方法。

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